结构生物化学/沉默信息调节蛋白
沉默信息调节蛋白，一种沉默的信息调节因子，可以延长模式生物的寿命。SIR2 有七个家族成员，SIRT1-SIRT7。SIRT1 与 SIR2 最为接近。尽管 SIRT1 是最接近的，但其他家族成员也显示出与代谢和衰老的联系。SIRT1-SIRT3 和 SIRT5-SIRT7 在体外进行两种酶促活性。这两种酶促活性分别是 NAD+ 依赖性蛋白脱乙酰基酶活性和 ADP 核糖基转移酶活性。SIRT4 唯一的酶促活性是 ADP 核糖基转移酶活性。哺乳动物沉默信息调节蛋白负责调节代谢和细胞存活。
SIR2 是沉默信息调节蛋白家族的创始成员，其功能可能提供衰老与染色质调节之间的联系。SIR2 使亚端粒 DNA、沉默的交配型基因座和核糖体 DNA 处的染色质沉默。SIR2 受其 NAD+ 依赖性组蛋白脱乙酰基酶活性的影响。脱乙酰基作用发生在 H4 赖氨酸 16 和 H3 赖氨酸 56 的赖氨酸残基处。这在 SIR2 的沉默作用中起着关键作用。SIR2 调节出芽酵母的寿命。这是通过两种染色质沉默活性完成的。第一种活性涉及抑制 rDNA 重复序列之间的重组，从而促进基因组稳定性（通过防止衰老 诱导的染色体外 rDNA 环被切除并积累）。第二种活性涉及通过端粒中 H4K16 乙酰化水平的增加来降低 Sir2 蛋白水平。响应营养缺乏或突变，SIR2 也可以阻止模式生物的寿命延长。
在酵母细胞中，SIR2 的功能与人类细胞中的 SIRT6 相同。它还分离受损的蛋白质，从而导致细胞由于有毒的细胞聚集体而衰老。响应营养缺乏和其他细胞突变，SIR2 会阻止酵母细胞寿命的延长。此外，在诸如秀丽隐杆线虫 和果蝇等模式生物中，SIR2 通过不同的途径发挥促进长寿的作用。SIR2 促成的另一个作用是通过诱导膳食限制适应来延长细胞寿命。
细胞核：SIRT1、SIRT6 和 SIRT7
细胞质：SIRT2
线粒体：SIRT3、SIRT4 和 SIRT5
SIRT1 是酵母中七种 Sir2p 同源物之一，称为沉默信息调节蛋白。SIRT1 与 SIRT6 和 SIRT7 一起存在于细胞核中。SIRT1 需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)。SIRT1 是与 SIR2 最接近的同源物。两者都控制复制性衰老。如果过表达，SIRT1 可以阻断癌基因诱导的衰老。虽然 SIR2 专门脱乙酰化组蛋白，但 SIRT1 会脱乙酰化 40 多种不同的底物。SIRT1 通过脱乙酰化染色质调节酶（如 TIP6o 和 SUV39H1）直接影响染色质的结构。除此之外，SIRT1 还帮助调节许多其他生理过程，如细胞凋亡、代谢和应激抵抗。SIRT1 是七个 SIR2 家族成员中研究最广泛的成员。
在 SIRT6 首次发现后的多年里，人们认为它没有任何脱乙酰基酶活性，直到后来才发现 SIRT6 是一种底物特异性很高的组蛋白脱乙酰基酶。它负责调节染色质功能，促进其在端粒和基因组稳定性、基因表达和 DNA 修复方面的正常功能。SIRT6 在人类中的功能与 SIR2 在酵母中的功能相似。对 SIRT6 缺陷小鼠进行的实验表明，这些小鼠出生时完全正常，但在大约两周时开始出现表型异常。它们会发育脊柱弯曲异常、骨质疏松症和其他全身性问题，导致它们在约一个月时死亡。在细胞水平上，缺乏这种蛋白质会导致基因组不稳定和对电离辐射 (IR)、甲基甲磺酸盐 (MMS) 和过氧化氢 (H2O2) 的过度敏感。此外，还观察到碱基切除修复问题。这揭示了 SIRT6 在维持稳态、代谢和生物体寿命中起着重要作用。
SIRT6 在端粒方面最重要的作用之一是其在维持端粒染色质完整性方面的作用。SIRT6 会脱乙酰化 H3K9 和 H3K56。在 SIRT6 缺陷细胞中，H3K9 和 H3K56 会过度乙酰化，从而导致随机复制相关的端粒序列丢失，端粒 DNA 损伤积累和基因组不稳定，并伴随染色体末端与末端的融合。这些问题会导致细胞过早进入衰老。这一发现对未来的癌症研究具有重要意义，因为染色体不稳定性与癌症有关，而端粒的健康功能在维持染色体基因组稳定性方面起着重要作用。
SIRT6 与人类 DNA 修复有关，因为它可以使 DNA DSB 修复（DNA 双链断裂修复）高效进行。研究发现，SIRT6 与参与非同源末端连接途径 (NHEJ) 的蛋白质（DNA-PKcs 和 Ku70/80）发生反应。SIRT6 与染色质的关联在响应 DSB 时会显著增加，以降低 H3K9Ac 的水平。发现 SIRT6 结构有助于在断裂附近侧翼染色质并稳定执行 DSB 所需的 DNA-PKcs。当细胞中缺乏 SIRT6 时，细胞中的 DSB 会受损，导致细胞不稳定。
研究表明 SIRT6 与转录因子核因子-κB (NF-κB) 之间存在关系，后者负责与衰老、增殖和炎症相关的基因表达。缺乏 SIRT6 会促进该转录因子的过度活化，从而导致这些基因的过表达。这在对 SIRT6 缺陷小鼠进行的实验中进一步得到证实，这些小鼠被发现存在代谢和退行性缺陷。除了调节 NF-κB，SIRT6 还参与转录因子 HIF1α，后者在葡萄糖调节中起着重要作用，与寿命调节甚至癌症有关。
沉默信息调节蛋白与脂肪酸氧化
在禁食期间，SIRT3 蛋白表达增加，其水平和酶促活性也随之提高。SIRT3、AceCS2 和 Acadl 的表型重叠表明 SIRT3 调节 LCAD 和 AceCS2 乙酰化。
沉默信息调节蛋白与电子传递链
去乙酰化复合物 I 亚基和琥珀酸脱氢酶 (复合物 II) 与 SIRT3 相互作用。蛋白质组学分析表明线粒体翻译受 ATP 合酶与 SIRT3 结合的调节。关于 SIRT4 和 SIRT5 在电子传递中的作用的信息较少。当 SIRT4 与腺嘌呤核苷酸转运体 (ANT) 结合时，会产生 ATP 合酶的底物，然后将 ATP 转运到胞质溶胶，将 ADP 转运到线粒体基质。SIRT5 与细胞色素 c 相互作用。SIRT4 和 SIRT5 的生物学意义尚不清楚。
Sirtuin 和克雷布斯循环
线粒体基质是克雷布斯循环酶的所在地。线粒体基质的区室化使细胞能够利用来自碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢物。几种克雷布斯循环酶与 SIRT3 相互作用，包括琥珀酸脱氢酶 (SDH) 和异柠檬酸脱氢酶 2 (ICDH2)。通过乙酰化和激活 AceCS2 和谷氨酸脱氢酶 (GDH)，SIRT3 间接影响克雷布斯循环。通过增加乙酰辅酶 A 和氨基酸利用率，碳进入克雷布斯循环增加。SIRT3 活性可能提供这些增加的一般机制。SIRT4 通过 ADP-核糖基化抑制 GDH，SIRT4 通过 GDH 与克雷布斯循环相互作用。
一组称为 sirtuins 的蛋白质可以帮助推迟某些模式生物（用于更好地理解生物生命的研究的非人类生物）的死亡时间。更具体地说，sirtuins 是 (Sir)2（沉默信息调节因子）及其直系同源物，它们是来自不同物种的具有相同功能的同源物。
哺乳动物体内发现了七种 sirtuins，即 SIRT1-7，它们改变了与代谢和应对压力相关的各种途径。sirtuin 域具有用于结合参与代谢的辅底物 NAD+ 的装置。在受控环境中，所有 sirtuins 都执行两个重要的酶促过程：NAD+ 依赖性蛋白去乙酰化酶和 ADP-核糖基转移酶。然而，SIRT4 无法识别乙酰化的特异性底物，但它可以识别 ADP-核糖基转移酶。由于这些酶依赖于 NAD+，因此它们可以在生物体的兴奋状态下执行其功能，并且可能参与识别代谢。此外，对哺乳动物 sirtuins，特别是 SIRT1 的广泛科学研究表明，它们控制着代谢过程和细胞的寿命。为了做到这一点，sirtuins 特别关注不同的乙酰化蛋白质底物，并被置于不同的位置。例如，SIRT1、6、7 位于细胞核中。
三种 sirtuins，SIRT3-5，存在于线粒体中，它们通过作为氧化代谢的重要场所来提供帮助。与 SIRT1 相比，SIRT3-5 尺寸更小。尽管对 sirtuins 进行了深入的研究，但线粒体的 sirtuins 的研究程度远不及 SIRT1 等其他 sirtuins。然而，有关质谱法的报告和信息一直在推测 SIRT3-5 可能在控制线粒体中广泛的活动方面发挥重要作用，例如产生能量、细胞内信号传导和参与细胞凋亡。
NAD+ 代谢和 Sirtuin 活性
[edit | edit source]Sirtuins 绝对依赖于 NAD+，这意味着细胞中游离 NAD+ 的过量及其生物合成和降解产物对于 sirtuins 酶的活性如何发挥作用至关重要。酵母和哺乳动物中 NAD+ 生物合成主要有两种方式。一种是从色氨酸形成的从头合成犬尿氨酸途径。另一种被称为补救途径，它使用由 sirtuins 除 ADP-核糖基转移酶和聚合酶或外源烟酸外产生的 NAD+ 生成的烟酰胺。两项研究 Bieganowski 和 Brenner 最近发现了一种特殊的 NAD+ 途径，存在于酵母和人类中。它始于从外部提供的烟酰胺核糖苷。此外，另一个重要的发现是哺乳动物细胞在基本层面上与其途径相比，与细菌和酵母不同。在酵母中，烟酰胺通过酶 Pnc1p 脱氨，转化为烟酸。然后烟酸通过烟酸磷酸核糖基转移酶转变为 NaMN。另一方面，哺乳动物细胞中的烟酰胺直接通过 Nampt 转化为烟酰胺单核苷酸。Nampt 表达水平对各种压力的反应使细胞 NAD+ 水平升高。实际上，这调节了 Sir2 的催化活性。最近的研究发现，NAD+ 代谢物的变化可能具有组织特异性效应。以 NAD+ 为例。NAD+ 使核神经元的水平升高，这以 SitT1 依赖的方式阻止了轴突变性。此外，哺乳动物从头合成与植物和原核生物相比，组织方式也不同。
Sirtuins、热量限制和衰老
[edit | edit source]Sir2 蛋白、热量限制和衰老之间的关系已被详细研究。有证据表明，sirtuins 与延长寿命有关，特别是在几种生物体中处理 CR 疗法的长寿。有两个关键的早期发现支持这一点，即发现过量的 sirtuins 促进了秀丽隐杆线虫的长寿。酵母母细胞寿命与 Sir2 相互作用和 SIr 蛋白之间的关系表明存在相关性。当酵母细胞分裂时，它们以不对称的方式分裂。母细胞只能分裂一定次数，大约 20-30 次。不含 Sir2 的突变体寿命缩短，因为它们分裂的次数更少。发现过早衰老的 Sir2 突变体母细胞积累了额外的染色体外 rDNA 环，这些环积累是因为 rDNA 结合在 Sir2 突变体中不再受调节。
与癌症的可能联系
[edit | edit source]由于 sirtuins，特别是 SIRT6 在帮助维持基因组稳定性和调节代谢方面发挥着重要作用，因此 SIRT6 功能和可用性的问题被认为与致癌转化和肿瘤发生有关。例如，某些癌症，如髓系白血病，在 SIRT6 染色体位点发生断裂。此外，癌细胞表现出从有氧呼吸到糖酵解的转变，这在 Warberg 效应中可见，导致癌细胞从氧化磷酸化转变为有氧糖酵解。其他研究表明，H3K56 的乙酰化在许多癌症中增加，如皮肤癌、甲状腺癌、乳腺癌、肝癌和结肠癌。
SIRT3 和口腔癌
研究和报道表明，SIRT3 与口腔鳞状细胞癌 (OSCC) 癌形成的早期阶段有关，即它抑制细胞生长并诱导早期细胞死亡。当这种 sirtuin 在乳腺癌中过量产生时，它会改变 p53 蛋白的修饰方式，以防止膀胱癌细胞随着年龄的增长而发生细胞停滞和退化。与人类口腔角质形成细胞相比，SIRT3 水平高于应有水平，这证明了 OSCC 致癌过程中 SIRT3 的过表达。从那里，测试了 sirtinol 和烟酰胺抑制剂，结果导致 OSCC 细胞中的细胞生长阻滞和诱导细胞死亡，这进一步证明了 SIRT3 在这些细胞中的过表达。但人们也研究和报道称，SIRT3 却完全相反，即它有助于维持细胞存活。它减少了细胞压力，并使它们远离诱导细胞死亡和凋亡。例如，Nampt 调节对压力的反应和饮食，需要 SIRT3 在细胞暴露于改变基因的有害物质时保持存活。它还可以防止心脏衰竭并预防其他心脏问题。
参考文献
[edit | edit source]Verdin, Eric, et al. Sirtuin regulation of mitochondria: energy production, apoptosis, and signaling. Cell Press. 669-675.
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